基于DSP三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于TMS320F2812三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用“交流伺服電機(jī)+減速器”代替轉(zhuǎn)臺(tái)傳統(tǒng)的直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方式；運(yùn)用DSP和CAN總線技術(shù)；利用上、下位機(jī)協(xié)同控制的方法，使系統(tǒng)能夠滿足超低速、寬調(diào)速、高精度、高可靠性的要求。
關(guān)鍵詞：三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)；TMS320F2812；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外的轉(zhuǎn)臺(tái)大多應(yīng)用于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域以及飛行姿態(tài)仿真系統(tǒng)。而機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤也已經(jīng)越來(lái)越為人們所重視，在現(xiàn)代化技術(shù)中，尤其是在國(guó)防技術(shù)中，有著舉足輕重的作用。我國(guó)從六七十年代開(kāi)始就開(kāi)始自行研制三軸液壓轉(zhuǎn)臺(tái)，到80年代開(kāi)始出現(xiàn)電液伺服控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)逐步朝著高精密、高準(zhǔn)確性的方向發(fā)展，而且隨著航天和航空技術(shù)的發(fā)展，以及車載、艦載對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)體積的要求，轉(zhuǎn)臺(tái)也逐漸開(kāi)始小型化、智能化。

目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是直瞄武器的“眼睛”，其對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確度，直接影響到武器系統(tǒng)的射擊命中率。一般跟蹤系統(tǒng)為一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)在空間沿三個(gè)坐標(biāo)軸的平移量對(duì)目標(biāo)的跟蹤精度影響不大，可以忽略不計(jì)。對(duì)跟蹤精度影響比較大的是跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰兩個(gè)自由度。目前我國(guó)高炮上裝備的大部分轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)就是只考慮了方位和俯仰兩個(gè)自由度。

在自動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，為了能夠識(shí)別目標(biāo)，需要對(duì)跟蹤系統(tǒng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象識(shí)別，如果忽略橫滾向的影響，而采用兩自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，會(huì)造成采集到的圖像發(fā)生扭曲失真，加大圖像處理的難度。而且當(dāng)車體在地面上行進(jìn)或者艦船在海上航行時(shí)，都會(huì)由于路面或海浪而引起橫滾向的偏移。因此為了減小圖像處理的難度，抵消車體或艦船在橫滾向的偏移，在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)該采用三自由度的跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)，即包括方位、俯仰和橫滾三個(gè)自由度。

1 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)三維效果圖

——北京理工大學(xué)“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目

目前國(guó)內(nèi)外絕大部分的電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)均采用直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方式。這種控制方法的特點(diǎn)是電機(jī)的輸出軸不需要加減速器，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了由減速器的回程間隙帶來(lái)的誤差，然而它的缺點(diǎn)是，跟蹤速度完全決定于力矩電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍，低速性能不佳，當(dāng)?shù)退俑檿r(shí)會(huì)出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象，而且成本較高。本文將采用一種“交流伺服電機(jī)+減速器”的驅(qū)動(dòng)方式。由于交流伺服電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上的交流伺服電機(jī)的調(diào)速范圍很寬，如松下交流伺服電機(jī)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/分到5000轉(zhuǎn)/分，如果經(jīng)過(guò)一個(gè)速比超過(guò)150的減速器減速后，最低跟蹤速度能達(dá)到0.04°/s。理論上能使系統(tǒng)的低速性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。表1為三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)。

表1 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

 

圖1為三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的三維效果圖，圖示位置為平衡位置，轉(zhuǎn)臺(tái)總體尺寸約為Φ700mm*650mm。負(fù)載為CCD圖像傳感器及鏡頭，重量約5kg。底座為圓盤形，留有固定螺栓孔，方便安裝。三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)為UUT結(jié)構(gòu)，外框?yàn)橐舨娼Y(jié)構(gòu)，完成方位向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由安裝在底座的方位向電機(jī)控制；中框?yàn)閁型架，通過(guò)軸承支撐在外框之間，完成俯仰向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由安裝在外框一側(cè)的俯仰向電機(jī)控制；橫滾軸通過(guò)中框中心，CCD攝像頭安裝在支撐平板上，平板固定在通過(guò)法蘭固定在橫滾軸上，由橫滾向電機(jī)控制。CCD鏡頭的中心線與橫滾軸的軸線重合。橫滾軸、俯仰軸、方位軸的軸線延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，這樣就避免會(huì)出現(xiàn)耦合現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，CCD平臺(tái)的前方?jīng)]有遮擋，視野開(kāi)闊，拆裝方便。

2 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器硬件設(shè)計(jì)

三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)包括方位、俯仰、橫滾三個(gè)獨(dú)立的控制回路。究其本質(zhì)，三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)高精度位置/速度伺服系統(tǒng)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)元件為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，其本質(zhì)又為一個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置或速度閉環(huán)系統(tǒng)。圖2是三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)原理框圖。

圖2 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)原理框圖

三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器主要包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和控制下位機(jī)兩個(gè)部分。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要是在仿真狀態(tài)下，解算被機(jī)動(dòng)目標(biāo)的飛行方程，從而求得圖像傳感器在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將三個(gè)空間軌跡作為控制指令實(shí)時(shí)地通過(guò)CAN總線通訊方式發(fā)送到三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的下位機(jī)。同時(shí)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的集中監(jiān)控、綜合管理，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線綜合管理、性能檢測(cè)、安全保護(hù)及監(jiān)控功能。而控制下位機(jī)也將通過(guò)角度傳感器采集各軸轉(zhuǎn)角和位置數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示各自由度的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及機(jī)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)單軸控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的電機(jī)控制系統(tǒng)，而經(jīng)典的電機(jī)控制系統(tǒng)模型是一個(gè)“三環(huán)”控制系統(tǒng)，即從內(nèi)到外一次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的剛度從而抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動(dòng)，系統(tǒng)的精度依靠位置環(huán)來(lái)保證。由于交流伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)將電流環(huán)和速度環(huán)封裝好，因此我們只需要給出速度環(huán)的輸入量從而進(jìn)行位置閉環(huán)控制即可。輸出軸由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)高精度、大速比的減速器減速，由于交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍大，使輸出軸能夠?qū)崿F(xiàn)很寬的調(diào)速范圍。減速器輸出端用高精度的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器采集位移量，經(jīng)RDC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)控制算法的運(yùn)算后，由16位精度D/A轉(zhuǎn)換，輸出至伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成完整的位置閉環(huán)系統(tǒng)。

圖3 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)單軸伺服控制卡框圖

圖3為三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)單軸伺服控制卡的框圖。其主要功能包括：D/A，RDC模塊信號(hào)采集，數(shù)字量輸入輸出。另外，為了與主控計(jì)算機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，協(xié)調(diào)其它軸動(dòng)作，需要進(jìn)行CAN總線通訊。處理器采用美國(guó)德州儀器（TI）專門用于伺服控制領(lǐng)域的32位高性能DSP 處理器TMS320F2812。其主要性能指標(biāo)包括：（1）處理速度快，主頻高達(dá)150MIPS，大部分指令能在6.67ns內(nèi)完成；（2）內(nèi)部存儲(chǔ)空間大，片內(nèi)高達(dá)128k字的FLASH程序存儲(chǔ)器，18k字的數(shù)據(jù)/程序RAM，可擴(kuò)展達(dá)4M字的外部存儲(chǔ)器空間。（3）兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：2個(gè)32位CPU定時(shí)器；3個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）通道；三個(gè)捕獲單元；特別適合于電機(jī)控制。（4）具有三個(gè)外部中斷，一個(gè)外部中斷擴(kuò)展（PIE）模塊，可支持多達(dá)96個(gè)外部中斷；（5）增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN2.0B模塊，包含32個(gè)均可配置為發(fā)送和接收的郵箱，速度高達(dá)1Mbps。由于TMS320F2812強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)功能，使得控制器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單而又實(shí)用。

3 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器軟件設(shè)計(jì)

三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)控制軟件，下面從這兩個(gè)方面說(shuō)明上、下位機(jī)控制程序流程。上位機(jī)具有以下幾個(gè)方面的功能：

(1) 為用戶提供友好的操作界面：用戶通過(guò)它對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操作，如自檢、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)置、框架回零、靜態(tài)指標(biāo)測(cè)試、動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試、演示運(yùn)行、仿真運(yùn)行。

(2) 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控：運(yùn)行中對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)，對(duì)電機(jī)、功放等關(guān)鍵部件的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，判斷其工作狀況是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)切斷電源，并發(fā)出聲光報(bào)警。

(3) 實(shí)現(xiàn)軟邏輯控制功能：所有在控制柜上的開(kāi)關(guān)、按鈕所對(duì)應(yīng)的操作，都可以由上位機(jī)上的軟件按鈕來(lái)替代，即用戶可以通過(guò)上位機(jī)直接實(shí)現(xiàn)邏輯控制。具體操作如：“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“自動(dòng)運(yùn)行”等。

(4) 通過(guò)CAN總線與下位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及命令設(shè)置；接收下位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的位置指令和轉(zhuǎn)臺(tái)的位置響應(yīng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

控制下位機(jī)是轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的直接控制級(jí)，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)方位、俯仰、橫滾三個(gè)獨(dú)立的伺服控制回路。其功能包括：實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制；采用相應(yīng)的控制算法，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行位置、速度進(jìn)行控制；將檢測(cè)到的系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)通過(guò)CAN總線傳給上位機(jī)。

下面以俯仰軸為例，說(shuō)明下位機(jī)的控制程序流程，如圖4所示，在DSP控制主程序中，首先要初始化系統(tǒng)、外設(shè)以及PIE中斷向量表，設(shè)置CPU時(shí)鐘以及初始化定時(shí)器時(shí)鐘，規(guī)定中斷服務(wù)程序首地址；然后，等待上位機(jī)發(fā)送的指令，根據(jù)不同的指令類型，判斷進(jìn)行什么操作，將運(yùn)算結(jié)果再通過(guò)CAN總線發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，如圖5所示，DSP讀取RDC采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的控制算法的運(yùn)算，如PID控制，然后將控制量通過(guò)D/A輸出至交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)，控制電機(jī)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。

圖4下位機(jī)控制程序流程

圖5中斷服務(wù)程序流程

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了基于TMS320F2812的三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。分析了采用“交流伺服電機(jī)+減速器”的控制方式的優(yōu)點(diǎn)。但由于減速器不可避免存在一定的齒隙，關(guān)于減速器的齒隙對(duì)于控制精度的影響程度以及如何消除齒隙對(duì)控制精度的影響還有待進(jìn)一步深入的研究。之后，本文詳細(xì)闡述了三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。硬件設(shè)計(jì)上采用DSP技術(shù)，由于其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和豐富的外設(shè)功能，使系統(tǒng)集成化程度和精確性得到提高。在軟件設(shè)計(jì)上，采用上、下位機(jī)協(xié)調(diào)控制的方案，上位機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單；下位機(jī)處理速度快，可以運(yùn)行較為復(fù)雜的控制算法，提高系統(tǒng)控制精度。

5 參考文獻(xiàn)

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本文創(chuàng)新性地采用一種“交流伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器”的控制方式對(duì)三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用一種高性能的DSP作為其處理器，為該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、超低速、高頻響提供保證。